Quels systèmes cryogéniques conviennent aux qubits supraconducteurs?

Un réfrigérateur à dilution est-il le seul moyen de refroidir des qubits supraconducteurs jusqu'à 10 millikelvins? Sinon, quelles sont les autres méthodes et pourquoi la réfrigération par dilution est-elle la principale méthode?

Un réfrigérateur à dilution est-il le seul moyen de refroidir des qubits supraconducteurs jusqu'à 10 millikelvins?

Il existe un autre type de réfrigérateur pouvant atteindre 10 mK: le réfrigérateur de démagnétisation adiabatique (ADR). [ a ]$^{[a]}$

pourquoi la réfrigération par dilution est-elle la principale méthode?

Pour comprendre cela, parlons de l'une des principales limites de l'ADR.

Comment fonctionne un ADR

Un ADR atteint généralement environ 3K avec un compresseur à hélium. Ce compresseur peut fonctionner tout le temps, de sorte que le réfrigérateur peut rester à 3K indéfiniment. Pour descendre aux températures mK, l'ADR fonctionne comme ceci:

1. Augmentez le champ magnétique entourant un solide avec des spins nucléaires. Cela aligne les rotations.
2. Éteignez lentement le champ. Cela permet aux spins de randomiser leur direction, ce qui absorbe l'entropie de l'environnement et abaisse la température.
3. Une fois que le champ est revenu à zéro, nous avons aspiré suffisamment de chaleur de l'environnement pour les amener à des températures mK.

Limitations de l'ADR

Tout cela est génial et cela fonctionne vraiment, mais c'est un processus "à un coup". Une fois le champ à zéro, vous ne pouvez plus descendre. La chaleur de l'environnement, comme les parties extérieures du réfrigérateur à température ambiante, laisse échapper de la chaleur dans la partie que vous essayez de garder au froid, et puisque nous avons déjà réduit le champ magnétique à zéro, nous ne pouvons rien faire pour éliminer cette chaleur. Par conséquent, après avoir refroidi l'ADR, il commence à se réchauffer (si tout va bien assez lentement pour exécuter votre expérience).

Il est typique qu'un ADR reste en dessous de 100 mK pendant peut-être douze heures, bien que ce nombre dépende en grande partie du nombre de fils que vous avez acheminés vers la partie froide de l'ADR. Une fois que la température dépasse ce que vous voulez, vous devez à nouveau augmenter le champ magnétique et le baisser lentement pour le refroidir. Augmenter et abaisser le champ prend du temps et chauffe le réfrigérateur, et ce grand champ magnétique est souvent incompatible avec les expériences de qubit supraconducteur, vous ne pouvez donc pas exécuter d'expériences pendant que vous êtes à cette étape du processus.

Réfrigérateur ADR vs réfrigérateur à dilution

Le réfrigérateur à dilution, d'autre part, fonctionne en continu, vous avez donc aussi longtemps que vous avez besoin pour exécuter votre expérience. C'est une très bonne raison pour laquelle ils sont couramment utilisés. Notez, cependant, que d'autres réfrigérateurs en dehors de l'ADR sont utilisés dans de nombreux laboratoires de qubit supraconducteurs pour des tâches où les avantages d'un réfrigérateur à dilution ne sont pas nécessaires et le temps de refroidissement plus court d'un ADR est correct. Par exemple, les ADR sont courants pour les expériences avec des résonateurs supraconducteurs, qui sont utilisés pour tester la qualité des matériaux qui peuvent ensuite être utilisés pour un qubit.

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